基于opengl的图像人体建模

研究背景和意义 随着网络3D技术的发展，人们越来越迫切希望在联机虚拟环境中添加入“人”——这个在现实生活中频繁出现的基本元素。信息时代的一个重要特点和基础就是数字化技术，即将各种事物、事件的本质特性以数字的形式存储、传输和处理。因此，可以将虚拟人技术研究简单地理解为人类自身的数字化问题，严格来说，虚拟人(Virtual Human)技术是以虚拟现实技术为基础，主要研究人类的各种特性在虚拟空间中的数字化表示，是高度真实的人类特性的数字化再现。 虚拟人体克隆，是一种在三维虚拟空间中为某一真实人物构造化身的建模技术。基于相片的虚拟人体克隆的基本思想是：根据从不同视角得到的真实人物的二维图像，构造他的三维模型，并用图像上的纹理对模型进行渲染，最终获得该真实人物在虚拟空间中的化身。由于克服了传统建模技术固有的复杂、高成本及手工化等缺点，这种基于相片的人体建模技术越来越受到人们的重视。 虚拟人技术的产生和发展，为解决不得不承担人员伤亡危险的各种问题提供了新方法，目前虚拟人技术的应用主要集中在以下几个领域: 1.产品设计与工作空间评估 它可以对计算机设计的车辆、机械零件等在实际构造前进行人体功效学评 估，在人无法达到的环境中进行精密、甚至危险的试验。波音777飞机的设计是虚拟原型机的应用典型实例，它由300万个零件组成，所有的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中进行。在设计太空飞船或太空舱时，设计师们常常需要先研究、评估、分析并审视人在其中的操作性能，并在真正建造该环境之前，及早发现设计上的缺陷。通过将虚拟人加入到虚拟工作环境中，并通过虚拟的交互进行动态测试，评估设计方案的合理性和设计环境的舒适性，还可以代替真人在空间探索中从事太空作业。 2.医学 服务于医疗手术训练的VR系统，用CT或MRI数据在计算机中重构人体或 某一器官的几何模型，并赋予一定的物理特征(例如密度、韧度、组织比例等)，同时在虚拟环境中加入虚拟的外科工具(如手术刀、注射器、手术钳等)，借助机械手或数据手套等高精度的交互工具在计算机中模拟手术过程，学生也可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。 3.分布式虚拟战场环境 学硕士学位论文虚拟人技术研究军事领域是虚拟人技术最早研究和应用的领域，同时也是其研究的初衷之一。最早的分布式虚拟战场环境是1983年DARRA和美国陆军共同制定的SIMNET研究计划。从1994年开始，美国DARPA与USACOM联合开展了战争综合演练场sTOw的研究，形成了一个包括海陆空多兵种、3700个仿真实体参与、地域范围覆盖? 500x750平方公里的军事演练环境。 我国从1996年起，国家863计划支持下的DVENET，是由北京航空航天大学联合浙江大学、国防科技大学、装甲兵工程学院、解放军测绘学院和中科院软件所等单位开发的一个分布式虚拟环境基础信息平台。基于DvENET的分布式虚拟战场环境，将分布在不同地域的若干真实仿真器和虚拟仿真器联合在一起，进行异地协同与对抗战术仿真演练。 4.体育训练 现在竞技体育正在向高、难、精、尖迅速发展，这就使得体育训练更多地借 助于现代科技手段。为了最大限度地挖掘人的潜能，现代体育需要科学技术不断地介入。 中科院计算所的王兆其等人开展了数字化三维人体运动的计算机仿真研究， 为蹦床、体操和举重等我国在2008年奥运会上的准优势项目进行技术创新、提高成绩，提供基于三维人体运动仿真技术的定量辅助分析工具(计算机系统)，同时提高我国体育训练水平和科技含量。由此推动体育科学研究，促进体育事业的发展。此外，虚拟人还可广泛应用于虚拟主持人、虚拟角色、艺术设计、娱乐游戏、教育等领域。 人体仿真与分析是计算机仿真领域的一个热点问题，它能广泛应用于生产生 活当中，极大地提高工作效率。虚拟人作为我们自身在虚拟环境中的真实体现不仅增强了人与虚拟环境交互的自然性，而且提高了虚拟环境的逼真度和沉浸感，为创造适人化虚拟空间奠定了坚实的理论基础。虚拟人技术的发展与普及，改变了过去人与计算机之间的枯燥、生硬、被动的交流方式，使人机之间的交互变得更人性化。它是人们世世代代所追求的人机和谐的信息处理环境的继续。 1.2研究现状 Gu J.等曾搭建一个正六边形的框架，并在正六边形的每一角上安装两台相机，在某一特定背景和光照条件下，同时获得人体上半身和下半身在六个不同视角上的图像，根据这12 张相片获得精确的人体各部分的尺寸，建立虚拟模特儿的模型。不足之处在于：（1）相片需要在特定的背景和光照条件下拍摄；（2）所有的相片必须在同一时刻获得；（3）严格规定了各视角间的夹角；WonSook. Lee等提出的方法克服了上述不足。该方法仅需一台相机，在任意拍摄背景和光照条件下，拍摄人体正面、侧面及背面的图像。具体思路是：首先，为每张相片标定大约二十个特征点，根据这些特征点进行人体骨架位置的估算，并对一般人体模型的几何外形进行粗略的调整。其次，根据这些特征点将人体从背景中分离开来，即得到人体的轮廓，并用轮廓信息进一步调整人体几何外形。最后，用相片中的图像对模型进行纹理贴图。但WonSook. Lee 的方法的应用前提是假设相片中人体的衣服轮廓紧贴人体的皮肤轮廓，以及该方法仍需对图像进行大量特征点的标定，这在增加建模的复杂度同时也降低了模型的精确度。 鉴于现有虚拟人体克隆技术存在的种种不足，以及虚拟现实技术与网络、分布式技术结合的发展趋势，一个实用的虚拟人体克隆技术需要综合解决以下几个方面的问题： （1）实时驱动，即在建模过程中，除了定义模型的几何外形、纹理等表面特征外，还需为其定义各种驱动接口，使得系统可以方便的驱动虚拟人物来完成各种复杂动作。 （2）实时渲染。 （3）真实感。 （4）简单、快速、低成本。 （5）自动化（或基本自动化）建模。 综合考虑以上各个因素，本课题适当的降低人体模型的真实感，提高人体模型相应部位的实时渲染能力。目前网络购买服装等需求推动虚拟服装试穿的人体建模技术的逐渐发展，本课题对这项需求具有一定价值。虚拟模特对于脸部的真实感以及身体的运动要求不高，对于人体相应部位的大小调节以及肤色等具有一定要求。 1.3本文的章节安排 为了详细的说明本软件的开发过程及成果，将本文分为七章，各章研究内容安排如下： 第一章介绍课题的研究背景、意义以及研究现状 第二章简单介绍开发平台和开发语言 第三章介绍几种虚拟人建模的方法 第四章对软件的功能做个总体上的分析 第五章软件的设计与实现 第六章软件性能测试与分析 第七章 总结与展望